4.15. Лазерные стандарты длины и частоты. Измерение частоты и длины волны лазерного излучения
Развитие работ по измерению оптических частот показывает, что воспроизводимость и стабильность частоты лазеров может значительно, на несколько порядков превышать стабильность источников радио- и микроволнового излучения (мазеров). Исключительно большие возможности здесь открывают лазерные методы охлаждения вещества, частоты поглощения которого станут эталонными. Это позволяет полагать [6], что со временем первичным эталоном единицы частоты (времени) и длины станет стабилизированный лазер, а передача значения единицы частоты будет осуществляться в обратном направлении – из оптического диапазона в микроволновый.
Измерение спектра межмодовых биений лазера с длиной резонатора более 15 см легко осуществить с помощью высокочастотного фотоприемника. Обычно это лавинный фотодиод, на который направляют луч лазера, и анализатора спектра, регистрирующего радиочастотный спектр сигнала. Спектр межмодовых биений несет информацию о стабильности работы лазера и о наличии поперечных мод в лазерном луче.
Рис. 7.8. Устройство контактного диода типа МОМ для измерения частот биений лазеров ближнего ИК диапазона и СВЧ излучения от клистрона (регистрируются частоты до 200 ТГц).
Длина волны криптона-86 в вакууме – 0,60578021 мкм. На метре укладывается 1 650 763,73 длин волн криптона – 86.
Рис. 4.9. Схема установки (спектроинтерферометра) для сравнения абсолютных значений длины волны стабилизированного лазера с длиной волны криптона. База интерферометра Фабри-Перо точно настраивается путем регулировки давления воздуха в промежутке между зеркалами. М – светоделительное зеркало, 6,8 – интерференционные светофильтры, пропускающие свет только от одного из источников. 7,9 – фотоприемники.
При изменении давления воздуха в камере, в которую помещен интерферометр, максимумы интерференционной картины его выходе периодически изменяются при изменении оптического расстояния между зеркалами на половину длины волны. Общее число интерференционных полос на выходе интерферометра может изменяться на несколько миллионов. Сингналы фотоприемников 7 и 9 поступают на два частотомера, с помощью которых подсчитывают число интерференционных полос на эталонной и измеряемой длине волны. Отношение показаний частотомеров равно отношению длин волн: эталонной и измеряемой. Электронная система регистрации позволяет измерять смещение интерференционных полос с точностью до 0,001 полосы. Таким образом, установка показанныя на рис. 4.9 позволяет сравнивать длины волн с точностью до 9 значащих цифр.
Длина волны лазера воспроизводится точнее, чем длина волны криптона. Это позволило осуществить сверхточные измерения скорости света с точностью более 9 значащих цифр путем независимых измерений частоты и длины волны стабилизированного гелий-неонового лазера. с = λν = 399792458 м/с (точно). Поэтому в 1983 г. было введено новое определение метра через время и скорость света. Метр – это расстояние, проходимое светом за промежуток времени, равный 1/с. с = 299458792 м/сек (точно).
Рис. 7.10. Схема измерения расстояния между штрихами эталонной линейки. 1 – лазер, стабилизированный по частоте или криптоновая лампа. 3 – светоделительное зеркало, которое вместе с зеркалами 8 и 9 образуют интерферометр Майкельсона. Зеркало 9 с прикрепленным к нему микроскопом смещают в направлении, указанном стрелкой. С помощью фотоприемника и электронной схемы регистрации 6 осуществляют подсчет числа интерференционных полос, проходящих мимо фотоприемника при смещении зеркала 9 на расстояние, равное расстоянию между штрихами эталонной линейки 11.
Рис.4.11. Принцип генерации оптической гребенки, перекрывающей видимый диапазон спектра.
Рис. 4.12. Принцип измерения оптических частот, не требующий использования оптического репера в виде вещества с эталонными квантовыми переходами.
Расстояние между основной несущей частотой лазера (800 нм) и частотой второй гармоники его излучения (400 нм) можно точно измерить в масштабе межмодового интервала. Тем самым любая частота, попадающая под огибающие, указанные на рисунке, которые перекрывают весь видимый диапазон спектра, может быть точно определена путем измерения частоты биений между эталонной частотой из гребенки и частотой лазера, привязанного к неизвестной частоте.